The identification of plant DNA in metagenomic samples

Abstract

Toit sisaldab DNA jälgi taimedest, loomadest ja mikroorganismidest, mida on selle valmistamisel kasutatud või millega toit on kokku puutunud. DNA analüüs võimaldab tuvastada usaldusväärselt toidus olevaid komponente ja nende bioloogilist päritolu, mis omakorda võimaldab tuvastada inimese tervise seisukohast olulisi toidu koostisosi ja võltsinguid. Doktoritöö keskendub toidus olevate taimsete allergeenide DNA põhise tuvastamise metoodika arendamisele kasutades tänapäevast DNA sekveneerimise tehnoloogiat. Toidus olevate taimsete komponentide DNA analüüs eeldab taimegenoomide eripärade arvestamist ja unikaalsete genoomipiirkondade tuvastamist laboris. Toidu DNA analüüsiks kasutatavate PCR-põhiste meetodite puhul kasutatakse valitud liigi või organismirühma tuvastamiseks eelnevalt disainitud spetsiifilisi PCR praimereid. Samas võivad taimede genoomid sisaldada hulganisti praimerite disainiks sobimatuid kordusjärjestustustega genoomiregioone. Doktoritöö raames rakendati primer3_masker programmi taimede genoomide kordusjärjestustuste analüüsiks, et tuvastada veelgi täpsemalt taimede eristamiseks sobivaid genoomiregioone. Paljude erinevate taimede tuvastamine töödeldud toidust on kulutõhusam kasutades teise põlvkonna DNA sekveneerimise tehnoloogiat ja efektiivsemaid andmeanalüüsi meetodeid. Doktoritöö käigus töötati välja unikaalne bioinformaatiline metoodika taimede tuvastamiseks, mille käigus analüüsitakse kogu toidus leiduvat DNA-d. Huvipakkuvate taimede tuvastamiseks kasutatakse sadu lühikesi ja spetsiifilisi plastiidi genoomist pärit DNA järjestusi ehk k-meere. Lühikeste k-meeride rakendamine võimaldab taimede tuvastamist ka töödeldud toidust, milles on DNA lagunenud lühikesteks fragmentideks

Food contains traces of DNA from plants, animals, and micro-organisms that have been used in its preparation or with which it has been in contact. DNA analysis makes it possible to reliably identify the components in food and their biological origin, which in turn makes it possible to identify counterfeits and food ingredients that are important for human health. The dissertation focuses on the development of DNA-based detection methods for the identification of plant allergens in food using modern DNA sequencing technology. DNA analysis of plant components in food requires consideration of the specifics of plant genomes and the identification of unique genomic regions in the laboratory. PCR-based methods for food DNA analysis use pre-designed specific PCR primers to identify the selected species or group of organisms. However, plant genomes may contain a large number of repetitive genomic regions that are not suitable for primer design. In the doctoral thesis, the primer3_masker program was applied to the analysis of the extent of repeated regions in the plant genome to identify more precisely the genome regions suitable for plant differentiation. Detection of many different plants in processed foods is more cost-effective using second-generation DNA sequencing technology and more efficient data analysis methods. In the doctoral thesis, a unique bioinformatics methodology for plant identification was developed, during which all the DNA in food is analyzed. Hundreds of short and specific DNA sequences, or k-mers, from the plastid genome, are used to identify plants of interest. The use of short k-mers also allows the detection of plants in processed foods in which DNA has been broken down into short fragments.